具有顺序燃烧组件和燃料成分控制器的燃气涡轮的制作方法

本发明涉及一种用于运行燃气涡轮的方法，燃气涡轮具有顺序燃烧器组件，燃料气体包括高级烃。本发明另外涉及一种适于执行这种方法的燃气涡轮。

背景技术：

由于诸如风能或太阳能的不稳定的可再生资源使功率生产提高，所以越来越多地使用现有的基于燃气涡轮的发电厂来平衡功率需求和稳定电网。因而需要改进运行灵活性。这意味着燃气涡轮通常在低于基础负载设计点的负载下运行，即，在较低的燃烧器入口和燃烧温度下运行。另外，取决于价格和可用性来使用来自具有不同燃料气体成分的不同源的燃料。

同时，排放极限值和总容许排放变得越来越严格，使得需要以较低的排放值运行，在部分负载运行下、在瞬态期间也保持排放低，因为这些也对累积排放极限和不同的燃料成分有影响。

为了减少排放和提高运行灵活性，已经提出了顺序燃烧。取决于运行条件，燃料气体成分可对顺序燃烧器组件的燃烧稳定性和排放有巨大影响。

技术实现要素：

本公开的一个目标是提出一种用于运行燃气涡轮的方法，燃气涡轮至少包括压缩机、顺序燃烧器组件和在顺序燃烧器组件的下游的涡轮。各个顺序燃烧器包括第一喷燃器、第一燃烧室和第二燃烧器，它们在流体流连接中按顺序布置。

根据方法的第一实施例，在压缩机中压缩入口气体，并且将供应到燃气涡轮的燃料气体分离成富燃料和贫燃料。富燃料是一种燃料，其具有的高级烃(也称为C2+，即，与甲烷相比，每个分子包括更多碳原子的烃，即，每个分子有2个或更多个碳原子)的浓度高于供应到分离器的燃料气体的高级烃的浓度。贫燃料是一种燃料，其具有的高级烃的浓度低于供应到分离器的燃料气体的高级烃的浓度。

方法进一步包括将第一燃料馈送到至少一个第一喷燃器，以及将第二燃料馈送到至少一个第二燃烧器。从富燃料、贫燃料和供应到燃气涡轮的燃料气体中的至少一个中获得第一燃料。它可为那些气体中的两种或全部三种的混合物。第一燃料中的高级烃的浓度不同于燃料气体的高级烃的浓度。从富燃料、贫燃料和燃料气体中的至少一个中获得第二燃料。它可为那些气体中的两种或三种的混合物。第二燃料中的高级烃的浓度不同于燃料气体和第一燃料的高级烃的浓度。

燃料在高级烃的浓度方面不同于另一种燃料，如果该差异可由诸如例如气体色谱法的普通分析技术分析的话。由于实际原理，高级烃的浓度方面的差异可例如大于1%或大于5%。为了用少量富燃料产生大影响，高级烃的浓度差异可大于50%或者甚至接近100%，即，贫燃料包含几乎100%的甲烷，并且富燃料包含几乎100%的高级烃(C2+)。

第一燃料在第一燃烧室中与压缩气体一起燃烧，以获得第一燃烧产物。第二燃料馈送到至少一个第二燃烧器，并且与第一燃烧产物一起燃烧，以获得第二燃烧产物。这些在涡轮中膨胀。

燃料气体可在气体分离系统中分离成富燃料和贫燃料。这种气体分离系统例如可为基于吸收过程、低温分离过程、低温热交换器过程、低温膨胀器过程或逐步摇摆吸附过程的系统。

可允许例如第二燃料进入第二燃烧器，第二燃烧器区是第一燃烧器和用于所谓的迟贫燃烧的涡轮之间的过渡区的一部分。

根据方法的实施例，对于燃气涡轮的低负载运行，馈送到第一喷燃器的第一燃料设有的高级烃的浓度低于供应到燃气涡轮的燃料气体的高级烃的浓度。馈送到第二燃烧器的第二燃料设有的高级烃的浓度高于供应到燃气涡轮的燃料气体的高级烃的浓度，以使燃烧稳定。

低负载运行是在从空转或最小负载直至大约50%或高达60%的相对负载的负载范围中的运行。在低负载范围中，典型地通过关闭可变压缩机入口导叶，以减少通过燃气涡轮的质量流，以及通过降低第二燃烧器中的热气温度，来控制功率输出。热气温度降低可引起CO排放、未燃烧完全的烃和诸如脉动的火焰不稳定性。可通过提高高级烃的浓度来减轻这些问题，因为与燃烧甲烷相比，它们会减少点火延迟时间。因而，即使在降低的温度下，在低负载运行期间，在第二燃烧器中可保证有完全燃烧。高级烃的反应性提高还可提高火焰速度，并且从而有利于完全燃烧。

相对负载可限定为例如实际功率除以可由燃气涡轮在相应的周围条件下产生的基础负载功率。

在方法的另一个实施例中，对于高负载运行，馈送到第一喷燃器的第一燃料设有的高级烃的浓度高于供应到燃气涡轮的燃料气体的高级烃的浓度。馈送到第二燃烧器的第二燃料设有的高级烃的浓度低于燃料气体的高级烃的浓度。

取决于燃料气体成分和运行方式，在第二燃烧器中存在预点火或逆燃的风险。可典型地通过降低高级烃的浓度来增加点火延迟时间。因而即使当供应到燃气涡轮电厂的燃料气体具有高浓度的高级烃时，提出的方法也允许在设计热气温度下安全地运行。

高负载运行是在从60%至100%的相对负载的负载范围中的运行，并且包括峰值负载，点火温度升高，或者是功率扩大的运行，诸如水或蒸汽喷射到燃烧器中，或者多雾(也称为湿压缩)。

根据方法的另一个实施例，根据下者中的至少一个来控制第一燃料流、第二燃料流或它们两者的高级烃的浓度：燃气涡轮负载、指示负载的温度。

指示燃气涡轮负载的温度例如是涡轮入口温度、热气温度、涡轮排气温度或火焰温度。指示燃气涡轮负载的压力例如是压缩机出口压力或燃烧压力。这些压力或温度可直接测量，或者基于在燃气涡轮的其它位置处得到的测量(例如放气或冷却空气温度和压力)来估计它们。

另外，可根据燃烧器脉动水平来控制第一燃料流、第二燃料流或者它们两者的高级烃的浓度。

例如如果超过指示接近第二燃烧器中的贫喷出的脉动的阈值，则可提高给第二燃烧器的燃料供应中的高值烃的浓度。例如这可在使燃气涡轮减载的期间发生。备选地或者共同地，如果超过指示第二燃烧器中的高热气温度的脉动的阈值，则可降低供应给第二燃烧器的燃料中的高值烃的浓度。例如这可在使燃气涡轮加载的期间发生。

根据方法的实施例，绕过或部分地绕过燃料分离，并且燃料气体直接馈送到第一喷燃器，以及在中间负载范围中的运行期间馈送到第二燃烧器。中间负载范围例如可为介于40%和90%的负载之间的范围，或者介于60%和80%的负载之间。低负载范围和高负载范围交迭是可行的，因为除了燃气涡轮设计之外，燃料气体成分改变的好处取决于供应到燃气涡轮的燃料气体的运行温度和成分。

根据方法的另一个实施例，在燃烧第一燃烧产物和第二燃料的混合物之前，将稀释气体掺合到第一燃烧产物。通过掺合稀释气体，第二燃烧器中的温度可降低，从而增加点火延迟时间。这使得能够较好地混合第二燃料与第一燃烧器产物，以减少NOx排放，而且可进一步减小第二燃烧器中的预点火风险。

根据方法的另一个实施例，在喷射第二燃料之后，将稀释气体掺合到第一燃烧产物。这可用来对涡轮入口建立均匀的温度分布。

稀释气体例如可为压缩空气或燃气涡轮的空气和烟道气的混合物。压缩烟道气还可用作稀释气体。可喷射压缩烟道气来控制第二燃烧器中的温度和温度分布。

根据又一个实施例，燃气涡轮包括第一组顺序燃烧器组件，以及第二组顺序燃烧器组件，以提高燃烧稳定性，即，减轻脉动。第一燃料馈送到第一组顺序燃烧器组件的喷燃器，并且第二燃料馈送到第二组顺序燃烧器组件的喷燃器，以进行分级。备选地或者另外，第一燃料馈送到第一组顺序燃烧器组件的第二燃烧器，并且第二燃料馈送到第二组顺序燃烧器组件的第二燃烧器，以进行分级。

分级在此语境中是燃气涡轮中的分级，燃气涡轮具有多个燃烧器组件，它们沿周向围绕燃气涡轮的轴线分布。这个分级可用于环形燃烧器，其中相邻顺序燃烧器组件彼此影响。在一些环形燃烧器中，若干排喷燃器可沿径向方向分布。对于这样的布置，也可在较接近燃气涡轮的轴线的顺序燃烧器组件和较远离燃气涡轮的轴线的顺序燃烧器组件之间使用分级。

燃料成分的分级允许以相同的热气温度运行喷燃器或燃烧器，同时由于燃料成分不同而改变反应动力学，并且从而抑制当相邻喷燃器或喷燃器组以相同温度运行时可能发生的脉动。

为了进一步提高运行灵活和降低对燃料成分的依赖，可将具有高浓度的高级烃(C2+)的、当产生贫燃料时从燃料气体分离的富燃料馈送到中间存储器。可使用存储的富燃料来在需要时提供富燃料，例如在燃料气体非常贫的时期期间，即，接近纯甲烷，或者当分离器不运行时。例如可关闭气体分离器供维护，或者在燃气涡轮的启动或低于燃气涡轮的最小负载或阈值负载的减速的期间。阈值负载例如可为发电厂的厂用负载，即，在启用分离器之前，燃气涡轮应当产生其所有内部使用的功率。

由于空间约束的原因，在将分离的富燃料置于中间存储器之前使其液化，将其作为液体气体存储，以及在添加到燃料气体中之前使其蒸发，可能是有益的。

除了该方法之外，本公开的主题是构造成实施该方法的燃气涡轮。它包括燃气涡轮控制器，其构造成根据该方法来运行燃气涡轮。

根据本公开的燃气涡轮具有压缩机、涡轮和顺序燃烧器组件，顺序燃烧器组件包括第一喷燃器、第一燃烧室和第二燃烧器，它们在流体流连接中按顺序布置。

燃气涡轮进一步包括燃料气体供应和燃料分离系统，燃料分离系统连接到燃料气体供应上，以将燃料气体分离成富燃料和贫烃燃料，富燃烧具有的高级烃的浓度高于燃料气体的高级烃的浓度，贫烃燃料具有的高级烃的浓度低于燃料气体的高级烃的浓度。该电厂进一步包括：具有第一贫燃料控制阀的第一贫燃料管线，其连接燃料分离系统的贫燃料的出口与第一喷燃器；以及具有第一富燃料控制阀的第一富燃料管线，其连接燃料分离系统的富燃料的出口与第一喷燃器。电厂还包括：具有第二贫燃料控制阀的第二贫燃料管线，其连接燃料分离系统的贫燃料的出口与第二燃烧器；以及具有第二富燃料控制阀的第二富燃料管线，其连接燃料分离系统的富燃料的出口与第二燃烧器。

根据一个实施例，燃气涡轮包括具有第一旁通控制阀的第一旁通管线，其连接燃料气体供应与第一喷燃器，以绕过燃料分离系统。备选地或者另外，燃气涡轮包括具有第二旁通控制阀的第二旁通管线，其连接燃料气体供应与第二燃烧器，以绕过燃料分离系统。

第一富燃料管线和第一贫燃料管线可在第一喷燃器的上游连结，以将两种燃料的混合物馈送到第一喷燃器。第二富燃料管线和第二贫燃料管线也在第二燃烧器的上游连结，以将两种燃料的混合物馈送到第二燃烧器。对于具有旁通管线的布置，这些可分别在第一喷燃器和第二燃烧器前面连结第一和第二燃料管线。

根据一个实施例，燃烧器组件包括喷射器，以将稀释气体掺合到第一燃烧产物，喷射器布置在第一燃烧室的下游和第二燃烧器中的第二反应区的上游。

根据另一个实施例，第二燃烧器包括：稀释气体掺合器，其用于将稀释气体掺合到离开第一燃烧室的第一燃烧产物；第二喷燃器，其用于掺合第二燃料；以及第二燃烧室。稀释气体掺合器、第二喷燃器和第二燃烧室在流体流连接中按顺序布置，即，稀释气体掺合器的出口连接到第二喷燃器的入口上，并且喷燃器的出口连接到第二燃烧室的入口上。

第一燃烧器和第二燃烧器可为燃烧器组件的一部分，该燃烧器组件构造成在实际上相同的压力下运行，即，运行压差仅仅由从第一燃烧器流到第二燃烧器的气体的压力损失产生，并且可能需要该运行压差来使第一燃烧产物与第二燃料良好地混合，而且可选地为了掺合稀释气体。典型地，顺序燃烧器组件的压力损失小于第一喷燃器的入口压力的10%，例如在3%至6%的范围中。第二燃烧器的入口可在无居间涡轮的情况下连接到第一燃烧室的出口上。

根据又一个实施例，燃烧器组件包括第一组顺序燃烧器组件和第二组顺序燃烧器组件。第一组顺序燃烧器组件的第一喷燃器连接到第一燃料的燃料管线上，并且第二组顺序燃烧器组件的第一喷燃器连接到第二燃料的燃料管线上，以进行分级。备选地或者共同地，第一组顺序燃烧器组件的第二燃烧器连接到第一燃料的燃料管线上，并且第二组顺序燃烧器组件的第二燃烧器连接到第二燃料的燃料管线上，以进行分级。换句话说，例如交替地对单独的喷燃器或燃烧器或成组的喷燃器或燃烧器供应第一燃料或第二燃料。

典型地，这种顺序燃烧器组件包括成罐结构的顺序燃烧器。顺序燃烧器组件也可为环形组件，环形第一燃烧室在第一喷燃器的下游。第二燃烧器也可布置成环形结构。还可设想到罐结构第一燃烧室和环形第二燃烧器或环形第一燃烧室和罐结构第二燃烧器的组合。

对于顺序燃烧器组件，可使用不同的喷燃器类型。例如可使用从例如EP 0 321 809得知的所谓的EV喷燃器或者从例如DE195 47 913得知的AEV喷燃器作为第一喷燃器。也可使用BEV喷燃器，它包括涡动腔室，如欧洲专利申请EP12189388.7中描述的那样，该申请通过引用而结合在本文中。另外，可使用US2004/0211186中描述的火焰片燃烧器作为第一燃烧器，该申请通过引用而结合在本文中。

第二燃烧器可只是包括第二燃料喷射，它后面是反应区。

附图说明

在附图的协助下在下面更详细地描述本公开及其性质和其优点。

参照附图：

图1显示燃气涡轮，其具有压缩机、顺序燃烧组件和涡轮；

图2显示顺序燃烧组件，其具有第一喷燃器、第一燃烧室和第二燃烧器，第二燃烧器具有燃料分离系统，以将不同的燃料量供应给第一喷燃器和第二燃烧器；

图3显示用于燃气涡轮的燃烧系统的第二示例，燃气涡轮具有燃料分离系统和稀释气体掺合器；

图4显示燃气涡轮，其具有顺序燃烧组件，顺序燃烧组件具有第一喷燃器、第一燃烧室、第二喷燃器，第二喷燃器具有稀释气体掺合器和燃料喷射，燃料喷射后面是第二燃烧室，第二燃烧室具有第二燃烧区；

图5显示顺序燃烧器组件的横截面，顺序燃烧器组件具有用于周向分级的燃料气体分配系统。

部件列表

1燃气涡轮

2进气空气

3压缩机

4顺序燃烧器组件

5涡轮

6轴

7顺序燃烧器

8燃料气体

9第一喷燃器

10燃料供给

11压缩气体

12第一燃料

13第二燃料

14第二燃烧器

15第一燃烧室

16混合器

17稀释气体

19第二燃烧产物

20第二喷燃器

21第二反应区

22排气

23燃料分离器入口控制阀

24第一旁通控制阀

25第二旁通控制阀

26第一贫燃料控制阀

27第一富燃料控制阀

28第二富燃料控制阀

29第二贫燃料控制阀

30燃料分离系统

31富燃料存储器

32富燃料

33贫燃料

38发电机

39第一燃烧产物

40燃料供给

41第一燃料分配环

42第二燃料分配环

43第一燃料分级阀

44第二燃料分级阀

45第二燃烧室

46燃料系统。

具体实施方式

图1显示燃气涡轮1，其具有顺序燃烧器组件4。燃烧气涡轮1包括压缩机3、顺序燃烧器组件4和涡轮5。

压缩机3将进气空气2压缩成压缩气体11。燃料气体8供应到顺序燃烧器组件的后续其后位置，并且在顺序燃烧器组件4中与压缩气体11一起燃烧而产生第二燃烧产物19。这些在涡轮5中膨胀，从而产生机械功。

燃气涡轮系统可通过燃气涡轮1的轴6联接到发电机38上。典型地，燃气涡轮1进一步包括用于涡轮5和顺序燃烧器组件4的冷却系统，未显示冷却系统，因为它不是本公开的主题。

排气22离开涡轮5。排气22的余热典型地在后面的水蒸汽循环中使用，这里也未显示水蒸汽循环。

在图2中显示根据本公开的顺序燃烧器组件4的第一示例。这个顺序燃烧器组件4包括第一喷燃器9，允许压缩气体11和第一燃料12进入到第一喷燃器9中。压缩气体11和第一燃料12的混合物在第一燃烧室15中燃烧，从而产生第一燃烧产物39。这些流到布置在第一燃烧室的下游的第二燃烧器14中。

第二燃烧器14包括稀释气体喷射17和用于第二燃料13的喷射。第一燃烧产物39、稀释气体17和第二燃料13的混合物在第二燃烧器14的第二反应区21中反应，从而形成第二燃烧产物19，第二燃烧产物19离开第二燃烧器14且允许进入涡轮。

燃气涡轮4具有公共燃料气体供应8。燃料系统46包括燃料分离系统30，以将进入的燃料气体8分离成富燃料32和贫燃料33，富燃料32具有的高级烃的浓度高于燃料气体8的高级烃的浓度，贫燃料33具有的高级烃的浓度低于燃料气体8的高级烃的浓度。燃料气体分离器入口控制阀23布置在将燃料气体8供应连接到燃料分离系统30上的管线中。

供富燃料32离开燃料分离系统的管线分成两个管线。一个管线连接到将第一燃料12馈送到第一喷燃器9的管线上。第一富燃料控制阀27布置在这个管线中，以控制通往第一喷燃器9的富燃料32的流量。

富燃料32的另一个管线连接到将第二燃料13馈送到第二燃烧器14的管线上。第二富燃料控制阀28布置在这个管线中，以控制通往第二燃烧器14的富燃料32的流量。

可选的富燃料存储器31可通过富燃料32的管线连接到燃料分离器上。这允许在生产过量的情况下存储富燃料，或者例如在仅当贫燃料作为燃料气体8可从燃料气体供应中获得时，保持富燃料存货。

供贫燃料33离开燃料分离系统的管线分成两个管线。一个管线连接到将第一燃料12馈送到第一喷燃器9的管线上。第一贫燃料控制阀26布置在这个管线中，以控制通往第一喷燃器9的贫燃料33的流量。贫燃料33的另一个管线连接到将第二燃料13馈送到第二燃烧器14的管线上。第二贫燃料控制阀29布置在这个管线中，以控制通往第二燃烧器14的贫燃料33的流量。

来自第二富燃料控制阀28和第二贫控制阀29的管线被连结，并且连接到第二燃烧器14上，以对其供应第二燃料13。

来自第一富燃料控制阀27和第一贫燃料控制阀26的管线被连结，并且连接到第一喷燃器9上，以对其供应第一燃料12。

另外，用于燃料气体8的可选管线布置成绕过燃料分离系统30，并且将燃料供应直接连接到第一燃料12的管线上。第一旁通控制阀24布置在这个管线中，并且控制可直接馈送到第一喷燃器9的燃料气体8的可选旁通流量。

在这个实施例中，由于罐结构，第一燃烧室15具有平滑的圆柱形流径。将从第一燃烧室15的圆形横截面到出口处(即，在涡轮入口处)的具有环带或实际上长方形流横截面的区段的形状的横截面结合到第二燃烧器14中。

图3和4的实施例基于图2。图3和4的示例的燃料系统包括用于燃料气体8的另一个管线，其用于绕过燃料分离系统30。这个管线将燃料供应直接连接到第二燃料13的管线上。第二旁通控制阀25布置在这个管线中，并且控制可直接馈送到第二燃烧器14的燃料气体8的旁通流量。

图3的示例进一步包括混合器16，以掺合稀释气体。允许第一燃烧产物39在上游端处进入第二燃烧器14。稀释气体17在混合器16中掺合，混合器16结合到第二燃烧器14中。

图4的示例进一步包括第二喷燃器20，其具有用于掺合稀释气体的混合器16。允许第一燃烧产物39进入第二喷燃器20，并且第二燃料13喷射到第二喷燃器20中，并且与第一燃烧产物39和稀释气体17混合。还可允许第二燃料13进入混合器16，并且第二燃料13在混合器16(这里未显示)中与第一燃烧产物39和稀释气体17混合。在第二喷燃器20的下游布置第二燃烧室，其具有第二反应区21。在这个示例中，第二喷燃器20的在出口处的流径的横截面小于后面的第二反应区21的横截面，以使第二燃烧室的入口处的火焰稳定。

在所有示例中，稀释气体17(未显示)也可与第一燃料12和第二燃料13一起喷射。

图5显示图2的横截面A-A，相应地B-B的可选设计。截面A-A是通过第一喷燃器9的剖面，并且截面A-A是通过第二燃烧器14的剖面。图5显示燃料分配系统的示例，其具有两个燃料分配环41、42。第一燃料分配环41通过第一燃料分级阀43连接到燃料管线上。第二燃料分配环42通过第二燃料分级阀44连接到第二燃料管线上。

第一喷燃器9(相应地，第二燃烧器14)通过燃料供给40交替地连接到第一燃料分配环41和第二燃料分配环42上。第一喷燃器9(相应地，第二燃烧器14)还可以成对布置或者3个或更多个的其它组合连接，这可有利于减轻脉动。

对于显示的所有布置，罐或环形结构或两者的任何组合都是可行的。

阐明的所有优点不限于规定的组合，而是还可以其它组合使用，或者单独使用，而不偏离本公开的范围。可选地设想到其它可能性，例如稀释气体17在用作稀释气体之前可在冷却气体冷却器中再次冷却。